近日,化工学院吴明铂教授团队与中国石油大学(华东)化学化工学院胡涵教授团队合作,在综合性国际顶级期刊《Science Bulletin》上发表了题为“Synergy-Optimized Spin Support for Reinforced Intermediate Supply in Ultrafast Water Splitting”的研究论文。该期刊由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办,影响因子为21.1,在中科院分区中位列综合类一区TOP期刊。

电解水制氢是实现碳中和的关键技术,其核心为析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。这两种反应均依赖羟基中间体(OH*)的吸附行为,该行为直接影响电催化剂的活性与稳定性,进而决定水分解效率。在以(氢)氧化物为载体的钌单原子催化剂中,精准调控载体自旋态对优化OH*吸附、提升水分解效率至关重要。然而,在低钌负载条件下,传统调控策略难以有效调节载体自旋态,限制了水分解反应的整体性能。为突破这一瓶颈,研究团队提出了一种创新性的解决方案。通过强原子和电子协同作用,设计并合成了一种新型的单原子钌掺杂Co3O4催化剂(a-Ru-Co3O4)。该催化剂富含高自旋Co3+物种,这些高自旋Co3+不仅作为强OH吸附位点,显著促进了水分子的解离,还增强了向钌位点供应H中间体的能力,从而加速了HER反应的Volmer–Tafel路径。此外,高自旋Co3+还有助于形成和稳定O*–Ru–O–Co–OH*中间体,为OER反应提供了一种动力学更为有利的氧化路径机制。因此,a-Ru-Co3O4表现出优异的双功能催化活性,其质量和成本归一化性能分别比商业Ru/C高出约30倍。当集成到阴离子交换膜电解槽中时,a-Ru-Co3O4在2.0 V槽电压下实现了1.46 A cm⁻2的工业级电流密度,并展现出卓越的耐久性。
该篇论文第一作者为中国石油大学(华东)博士研究生孟超,通讯作者为青岛科技大学吴明铂教授、中国石油大学(华东)胡涵教授、山东科技大学周玥副教授。本研究得到国家自然科学基金重点项目、山东省“泰山学者”特聘专家人才项目、山东省自然科学基金联合基金等项目的资助,并依托上海同步辐射光源(SSRF)等平台完成了关键表征工作。青岛科技大学与中国石油大学(华东)的紧密合作,充分发挥了双方在催化材料和反应工程领域的优势,为成果的取得奠定了坚实基础。
Chao Meng, Deyu Kong, Yue Zhou*, Bin Wang, Mirabbos Hojamberdiev,Jialin Zhang, Jianglong Ji, Ning Wang, Yanjiao Wang, Mengxin Huang,Lina Li,Alistair J. Fielding, Hua Li,Han Hu*, and Mingbo Wu*. Synergy-Optimized Spin Support for Reinforced Intermediate Supply in Ultrafast Water Splitting [J]. Science Bulletin, 2025, DOI: 10.1016/j.scib.2025.07.022.